< Terug naar vorige pagina

Project

Invloed van verschillende procesgeïnduceerde (micro)structuren op de in vitro zetmeelverteerbaarheid van gewone bonen: Een kinetische benadering

Iedereen heeft er al van gehoord: de voedselketen en zijn producten moet dringend nog meer focus leggen op duurzame levensmiddelen die een positief effect hebben op de menselijke gezondheid, maar daarnaast ook tegemoetkomen aan een verminderde belasting op het milieu. In dit kader wordt een verhoogde consumptie van plantaardige levensmiddelen (bvb. granen, fruit, peulvruchten, noten, groenten) sterk aangeraden. Als voedingswetenschappers en de bijhorende industrieën zich meer gaan toeleggen op de ontwikkeling van veilig en nutritioneel hoogstaande levensmiddelen van duurzame bronnen, kunnen we dagelijks een stapje vooruit zetten. Peulvruchten, meer bepaald de droge zaden van deze familie, vormen een bijzonder interessante voedingsgroep in dit verhaal. Deze droge peulvruchtzaden bevatten een groot scala aan verschillende macro- en micro‑nutriënten die allen op verschillende structurele niveaus van nature in de zaden zijn ingebouwd. Droge peulvruchtzaden worden op zich niet geconsumeerd, maar worden eerst behandeld voor consumptie. Deze procesvoeringsstappen hebben een invloed op de eetbaarheid van de zaden (bvb. hardheid/kauwbaarheid) , maar ook op hun structurele organisatie en vertering. Fundamentele studies die de mogelijkheid van procesvoering bestuderen om structuur op verschillende schaalniveaus (macrostructuur, microstructuur, moleculaire structuur) te modificeren, zijn echter beperkt.

Wij postuleren in dit doctoraatsonderzoek dat procesvoering kan gebruikt worden als een strategie die specifieke (micro)structuren van de gewone boon kan genereren en dat deze specifieke structuren kunnen resulteren in verschillende in vitro verteringseigenschappen van zetmeel. De gewone boon werd in dit werk gekozen als representatieve matrix en dit zowel op het niveau van belang van productie als consumptie in de droge peulvruchtenfamilie. Als eerste uitdaging werden een scala van procesvoeringsvariabelen uitgevoerd en werd het effect hiervan op de macro- en micro-structurele eigenschappen van de gewone boon bestudeerd. Meer bepaald werd telkens het effect van een welbepaalde combinatie van variabelen geëvalueerd in functie van de procestijd (kinetica). Als tweede uitdaging werd vervolgens de consequentie van een reeks duidelijk verschillende structuren bestudeerd inzake in vitro zetmeel digestie. Specifieke aandacht werd besteed aan de digestie in de dunne darm, waarbij ook het effect van digestietijd (kinetica) werd geobserveerd gebruik makende van zowel kwantitatieve als kwalitatieve technieken.

Conventionele (95°C, 0.1 MPa, f(t)) en alternatieve (25°C, 600 MPa, f(t) or 95°C, 600 MPa, f(t)) procesvoering werd gebruikt. Enkel wanneer hoge temperaturen werden gebruikt, konden gewone bonen van eetbare hardheid worden bekomen. Wanneer gewone boon werd behandeld bij hoge druk (600 MPa) bij 25°C, kon er geen duidelijke hardheidsreductie worden waargenomen, zelfs bij lange procestijd. Gelijkaardige hardheidsprofielen werden bekomen voor de twee bestudeerde procestechnieken bij verhoogde temperatuur (95°C), ongeacht of deze behandeling nu bij hoge druk of bij atmosfeerdruk werd uitgevoerd. Wanneer voor beide behandelingen bij verhoogde temperatuur eenzelfde mechanische desintegratiestap in rekening werd genomen, resulteerde dit ook in gelijkaardige microstructuren. Stalen die slechts een korte procestijd ondergingen, werden eerder gekarakteriseerd door celclusters en open cellen als microstructuur. Celwandbreuk kwam wellicht veel voor omdat pectine in de middenlamella van de primaire celwand onder deze condities wellicht nog niet (voldoende) was gesolubiliseerd. Bij het verlengen van de procestijd, werden steeds grotere porties aan individuele cellen in de stalen waargenomen, wanneer de thermisch geïnduceerde pectinesolubilisatie wel voldoende had kunnen optreden. In de consumptieketen van de gewone boon komt steeds een stap van mechanische desintegratie voor. Deze kan onderdeel maken van de keten (bvb. bij productie van ingrediënten en producten) of deze kan onderdeel uitmaken van de verteringsketen: in de mondfase vindt bij consumptie van vaste levensmiddelen een belangrijke vermalingsstap plaats. Om het effect van dergelijke menselijk kauwfase te bestuderen, werd een kauwstudie uitgevoerd met hulp van 20 deelnemers die werden gevraagd thermische behandelde bonen te kauwen en uit te spuwen op het moment van doorslikken bij normale consumptie. Tijdens verschillende sessies werd aan de deelnemers gevraagd om bonen van verschillende hardheden na koken (95°C, 0.1 MPa, f(t)), te kauwen, alhoewel allen eetbaar. Als resultaat bleek dat individuele kauwpatronen geen significante invloed hadden op de partikelgroottedistributies van de bolussen. De hardheid van de stalen na koken hadden wel een duidelijke invloed op de partikelgroottedistributies van de bolussen. Vanuit microstructuurstandpunt bleken individuele gesloten cellen de karakteristieke microstructuur van de bolussen, waarbij het massa‑aandeel van deze karakteristieke microstructuur duidelijk toenam in functie van langere kooktijd en dus de lagere residuele hardheid. Met de toename van massapercentage van de fractie bestaande uit individuele cellen, nam het massapercentage van grotere microstructuren (celclusters) af.

Ook na in vitro digestie van de bekomen in vivo bolussen, bleek een individuele gesloten cotyledon cel de meest karakteristieke microstructuur. In deze cel spelen aanwezige zetmeelomgevende barrières (met name celwand en proteinematrix) wellicht een belangrijke rol in de zetmeelvertering. Uit dit werk bleek dat in vitro verteerde heterogene in vivo bolussen en homogene geïsoleerde individuele cotyledon cellen van gekookte gewone boon, verschillende kooktijden in rekening genomen, resulteerden in duidelijk verschillende zetmeelverteringseigenschappen en verteringsgedrag in functie van de tijd (kinetica). Deze verschillende en bijhorende kinetische data werden gekwantificeerd met mathematische modellering gebruik makende van een reparametriseerd logistisch model. Dit logistisch model werd voor de eerste keer gebruikt in het kader van zetmeeldigestie. De gedetecteerde verschillende werden verklaart aan de hand van geobserveerde procesgeïnduceerde verschillen op het niveau van de zetmeelbarrières. Meer bepaald werden langere lagfases bekomen in stalen die slechts gedurende kortere tijd werden behandeld en gekarakteriseerd werden door cellen met lagere graad van celwand permeabiliteit alsook een meer compact proteinenetwerk. Analoog werden hogere reactiesnelheidsconstanten bij stalen die langer behandeld waren, gelinkt aan de hoeveelheid enzyme dat bindt en zetmeel afbreekt per minuut, wat enkel kan gebeuren als het enzyme door en rond de bovenvermelde barrières raakt.

In een laatste deel van dit doctoraatsonderzoek werd mechanistisch inzicht in de in vitro zetmeelvertering van individuele, thermisch behandelde (95°C, 0.1 MPa, f(t)) cotyledoncellen bekomen. Hierbij werden digesten onderverdeeld in supernatant en pellet fracties. De geïsoleerde fracties werden onderworpen aan verschillende kwalitatieve en kwantitatieve karakterisaties. Voor het eerst werd aangetoond dat bij vertering van cellulaire structuren van gewone boon cotyledonen de digestie in de cel gebeurd, onafhankelijk van de kooktijd in de range van eetbare hardheden. In deze context werd een driestapsmechanisme voorgesteld: (i) enzyme diffusie doorheen de celwand gevolgd door het overwinnen van eventuele hinder door de cytoplasmatische inhoud (bvb. proteinematrix); (ii) adsorptie van het enzyme op de zetmeelgranule en hydrolyze van zetmeel startende van de periferie van de cel naar het midden van de cel toe; gecombineerd met (iii) diffusie van verteringsproducten van binnen naar buiten de cel. Met behulp van microscopische evaluaties kon ook worden aangetoond dat proteinevertering in parallel verloopt met zetmeelvertering en wellicht verloopt volgens een gelijkaardig mechanisme als hetgeen bovenstaand beschreven wordt voor zetmeelvertering. Ten slotte werden verschillende snelheidsbeperkende stappen voor zetmeelvertering in cotyledoncellen gepostuleerd, afhankelijk van de intensiteit van het toegepaste thermische proces.

Samenvattend toont dit doctoraatsonderzoek aan dat er duidelijk potentieel is om in situ de in vitro zetmeelverteringskinetica van gewone boon te sturen met behulp van doelbewuste procesvoering die de structurele eigenschappen van de gewone boon beïnvloeden. In dit werk werd vooral gewerkt met procesvariabelen die momenteel gebruikt worden op huishoudelijk of industrieel vlak. Dit kan de toepasbaarheid van dit onderzoek enkel ten goede komen.

Datum:2 okt 2015  →  8 okt 2019
Trefwoorden:Common beans, Processing, Structure, In vitro starch digestibility
Disciplines:Microbiologie, Systeembiologie, Laboratoriumgeneeskunde, Engineering van biomaterialen, Biologische systeemtechnologie, Biomateriaal engineering, Biomechanische ingenieurswetenschappen, Andere (bio)medische ingenieurswetenschappen, Milieu-ingenieurswetenschappen en -biotechnologie, Industriële biotechnologie, Andere biotechnologie, bio-en biosysteem ingenieurswetenschappen, Levensmiddelenwetenschappen en (bio)technologie, Andere chemie, Voeding en dieetkunde, Productie van landbouwdieren
Project type:PhD project